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原文传递含亚波长压电阵列的新型半主动声学覆盖层低频吸声特性理论研究

论文题名：	含亚波长压电阵列的新型半主动声学覆盖层低频吸声特性理论研究
关键词：	潜艇;声隐身技术;半主动声学覆盖层;低频吸声特性;亚波长压电阵列
摘要：	潜艇凭借独特的机动性和隐蔽性，博得了各大海军强国的青睐，成为捍卫国家领海主权的战略兵器。受竞相发展的（低频）声呐探测技术的驱动，积极开展潜艇声隐身技术的研究对提升我方潜艇的隐身性、攻击力及服役寿命至关重要，对维护世界和平不可或缺。　　潜艇声隐身技术的关键在于控制潜艇声场和声目标特性，降低敌艇主/被动声呐的探测概率和距离，以削弱其水下攻击力，同时提升本艇对目标的探测发现、跟踪定位和精准打击等作战性能。其中，声学覆盖层技术是唯一能同时兼具抑制艇体回波和振声响应的声隐身技术。鉴于被动声呐探测技术随潜艇辐射噪声（RN）的降低而逐渐受限，应运而生的主动声呐探测技术得以蓬勃发展，工作频率逐渐向低频段移动。故此，本文针对潜艇覆盖层声隐身技术，为应对未来的新型主动声呐提出了含周期性亚波长压电阵列的新型半主动声学覆盖层，围绕其声学特性的理论建模、规律分析和多重耗能吸声机理揭示等方面展开研究。主要研究内容及成果如下：　　建立了亚波长压电阵列薄板耦合空腔吸声体的水下声学特性理论分析模型。基于压电分流技术和等效媒介法（EM）建立亚波长压电阵列薄板的等效模型，分析其双重等效特性（等效面密度和等效动弯曲刚度）；同时，引入声学波动方程和基尔霍夫薄板理论，建立吸声体的声学特性理论分析模型。继而，先借助有限元仿真技术对理论模型进行准确性验证，后展开研究了吸声体中背衬空腔深度、晶格常数、基板厚度和压电片尺寸等结构参数对其吸声特性的影响。　　构建了含亚波长压电阵列薄板的复合覆盖层声学特性理论预测模型。基于前述亚波长薄板结构的等效模型，结合分层介质中波传播理论构建了吸声特性的全局四端网络理论预测模型。利用有限元仿真技术和驻波声管测试技术协同完成了理论模型的准确性验证。深入研究了橡胶层和亚波长压电阵列薄板层的材料几何参数对复合覆盖层吸声系数的影响规律，以揭示覆盖层的多重耦合耗能机制。　　建立了计及双层艇壳背衬结构的一体化覆盖层吸声特性理论模型。综合考虑了三明治背衬中肋板的惯性量，并通过空间谐波法和虚功原理依次建立面板振动控制方程和分离面板位移响应幅值系数，以解析背衬结构的表面输入阻抗。基于前述全局四端网络法建立了相应的吸声特性理论预报模型。同时，提出了背衬结构的谐波分量截断收敛判定准则，对正交加肋三明治背衬中面板的无限大控制方程组进行有限截断。进而，先建立覆盖层对比结构的声-结构全耦合有限元模型，后研制水声阻抗管实验测试样件，分别进行了理论预测结果的仿真验证和常压下行波声管吸声系数实验验证。最后，深入探究了三明治背衬的主要材料几何参数对一体化覆盖层声学特性的影响规律，以揭示相应的声能耗散机理。　　面向静水压力环境中的一体化覆盖层，建立了吸声特性理论解析模型。基于唯象理论，分别建立含圆柱型空腔非均匀橡胶层和均匀橡胶层的本构模型，以一体化覆盖层的周期性条件构建相应橡胶层的平衡控制方程，并考虑应力边界和体积不可压缩性，对各向同性不可压缩neo-Hookean材料的橡胶层进行有限形变解析。综合非均匀层等效分层收敛判定准则，以各子层的有限形变来逼近含圆台型空腔非均匀层的变形结果。进而，把各橡胶层的形变融入常压下的全局传递矩阵中，建立吸声特性的理论解析模型。依次基于有限元仿真技术和面向加压恒压环境的行波声管测试技术，完成了理论解析模型的准确性及可靠性的仿真和实验验证。研究了不同静压载荷作用下一体化覆盖层吸声特性的变化规律，进一步揭示其多重耗能吸声机理。
作者：	张志富
专业：	机械工程
导师：	黄其柏
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文